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    【決戰矽光子2-2】英特爾投入長達30年 台灣晶圓廠不擅長「光學」需奮力追趕

    2024-06-30 07:40 / 作者 戴嘉芬
    國內晶圓廠過去擅長處理電子訊號, 並不擅長處理光學訊號。圖為半導體晶圓。彭博社資料照
    生成式 AI 應用大爆發!雲端資料中心要處理的資料量急速攀升,需要更高速的傳輸頻寬,同時也面臨功耗暴增的挑戰。此刻,以光電整合為基礎的「矽光子」(Silicon Photonics)技術,就是其中的一種解決方案,未來可望逐漸成為IC製造業發展重點。專家表示,國內晶圓廠過去擅長處理邏輯IC中的電子訊號,但對於光學結構的設計與製作的發展時程與經驗,仍有持續進步的空間。

    芯鼎科技夥伴關係總監李長龍日前在工研院舉辦的研討會表示,整個AI運算中最高層級的資料中心,需要龐大的算力,像是輝達最新Blackwell平台,其中GB200 NVL72資料中心解決方案需要36顆CPU和72顆Blackwell GPU,這些晶片之間需要高速連結,傳統銅線已無法因應傳輸需求,需要用光來傳輸。因此,矽光子和CPO共同光學封裝技術就是未來的趨勢。

    工研院日前舉辦「生成式AI驅動科技創新研討會」,芯鼎科技夥伴關係總監李長龍(右二)應邀擔任演講嘉賓。戴嘉芬攝

    矽光子研發三大階段

    工研院產科國際所分析師劉美君指出,矽光子技術已存在多年,如今因為生成式AI應用,需要更高速傳輸,所以變成一種炙手可熱的技術。目前國內矽光子研發還停留在第一個階段,也就是透過PCB板,將零組件進行組裝,再透過光波導(waveguide)元件來進行光的轉換跟傳遞;實際做法是採用CPO技術進行封裝。

    她指出,倘若需要進一步去解決功耗、發熱以及傳輸速度等問題,就必須進展到第二個階段,這是由NTT在IOWN(全光和無線網路聯盟)所提出;將所有晶片都放在矽基板上,用半導體的方式全部封裝在一起,所有晶片之間的訊號傳輸,都透過「光」來傳遞,這是下一階段需要完成的。

    談到第三個階段,是希望「晶片內」的資料非由電來傳輸,而是透過光,這是終極目標。它的結構跟過去由電子驅動的晶片很不一樣,因為這技術需要「光源」,它需要幾組雷射,以及光電轉換的光電二極體,還需要一個光訊號切換裝置。

    劉美君強調,「這些東西都不是國內晶圓廠擅長的技術。」因為過去IC製造業擅長處理邏輯IC中的電子訊號,但對於光學結構的設計與製作的發展時程與經驗,仍有持續進步的空間。

    美系大廠獲得最多矽光子專利

    劉美君提到,目前矽光子技術的發展,以美國通訊設備廠以及IC製造業速度最快,競爭力不容小覷,而台灣晶圓代工業者正在急起直追。

    從日經資料顯示,矽光子的專利數量最多的是在美國,例如Cisco、MACOM甚至Intel等,若將範圍縮小到IC製造業,英特爾在申請數量上排名第一,而且是壓倒性領先。在亞洲,矽光子申請專利數領先業者是NTT,由此可見,通訊業者在矽光子領域戮力甚深;至於中國則以華為等通訊廠為主。

    英特爾投入矽光子已逾30年

    劉美君強調,Intel從1990年代就投入矽光子研發。而且,當時主導這項計畫的就是目前執行長季辛格(Pat Gelsinger)。英特爾有伺服器部門,當初投入矽光子領域就是為了大型伺服器做準備。

    英特爾在從90年代就投入矽光子研發,由Pat Gelsinger主導此研發計畫。陳品佑攝

    「雖然英特爾在先進製程的推進落後於台積電,但在矽光子領域,英特爾並不弱,這是台灣IC製造業要很小心的地方。」Intel還加入由NTT主導的IOWN架構,可以提前得知相關規格的制定。

    至於台積電則是因應客戶輝達、博通的需求,才進展到矽光子階段,與英特爾的出發點不同。「話說在20幾年前,也沒有任何客戶會提出這樣的需求,因此台積電不會主動觸碰這個領域。」

    業者在技術上面臨的挑戰

    提到業者在技術上面臨哪些挑戰?首先,「光學引擎中的光波導射器,必須要用來導光,而不是導電,這是廠商很頭痛的一個問題。」劉美君說。

    而最大的問題是「光會亂衝」,業者必須在石英基板上設計出對應的光學結構,透過折射力的改變,去引導光的方向,讓光的路徑走到對的方向;這是過去晶圓廠不太擅長的技術。

    其次,在光學元件的整合上,目前看起來是使用薄膜雷射把光子整合到同一個晶片上面,但是光學使用的薄膜雷射材料,跟原來矽材料也有所不同,「這個部分晶圓廠也不擅長」。

    話說回來,如果晶圓廠不擅長,那到底誰比較擅長?

    工研院產科國際所分析師劉美君表示,矽光子在未來市場的主要需求就是在資料中心領域。戴嘉芬攝

    劉美君坦言,這其實是光電業比較擅長的部份。光電業長久以來生產面板,對光學結構十分了解。但面板是眼睛要看的東西,與晶圓廠生產的傳輸用晶片仍存在著差距。「在從前,光電業做光電的事,電子業做電子的事,兩邊八竿子打不著。」

    可是現在看起來,光跟電的結合在矽光子技術中,是十分重要的一環,技術門檻非常高,需要一個專業團隊進行,目前沒有任何一家廠商專門研發「光與電」的整合。她認為,光電業與晶圓廠若要合作,這過程間的轉換非常困難。投入矽光子研發的IC製造業如台積電,可能就會去光電業尋找適合的人才。

    劉美君強調,相較國外大廠已協同通訊業者投入長期商業化量產開發,國內IC製造業如何藉由與重要客戶的合作,整合光電訊號研發,以切入全球供應鏈,方有機會在高度競爭的市場中佔有一席之地。

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